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Potenziale elettrochimico ed equilibrio termodinamico

1900
  • Josiah Willard Gibbs
  • E. A. Guggenheim
Ricercatore specializzato nella misurazione del potenziale elettrochimico in laboratorio, nell'ambito della chimica fisica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

In un sistema a termodinamico equilibrio, l potenziale elettrochimico, [latex]bar{mu}_i[/latex], per qualsiasi specie carica `i` data, deve essere uniforme in tutte le fasi. Se esiste un gradiente ([latex]nabla bar{mu}_i neq 0[/latex]), gli ioni si sposteranno spontaneamente dalle regioni a potenziale più alto a quelle a potenziale più basso, creando una corrente o un flusso, finché questo gradiente non viene eliminato e l'equilibrio non viene ristabilito.

The principle of uniform potenziale elettrochimico at equilibrium is a direct consequence of the Seconda legge della termodinamica, which states that a system will spontaneously evolve towards a state of minimum Gibbs free energy. Since the electrochemical potential is the partial molar Gibbs free energy for a charged species, any gradient in this potential represents an opportunity for the system’s total free energy to decrease through the movement of that species.

Questo movimento, o flusso, continua finché il potenziale elettrochimico non è costante ovunque accessibile alla specie. A questo punto, la forza netta sugli ioni è zero e non c'è ulteriore movimento netto. Questo equilibrio è dinamico, non statico; i singoli ioni possono ancora muoversi, ma il flusso in una direzione è perfettamente bilanciato dal flusso nella direzione opposta.

Un esempio classico è l'equilibrio di Donnan, che si verifica attraverso una membrana semipermeabile permeabile ad alcuni ioni ma non ad altri (come le proteine ​​di grandi dimensioni). Gli ioni piccoli e permeabili si ridistribuiscono attraverso la membrana per bilanciare i loro potenziali elettrochimici. Ciò si traduce in una distribuzione non uniforme sia della concentrazione che del potenziale elettrico, creando un potenziale di membrana stabile all'equilibrio. Questo stesso principio governa il comportamento delle giunzioni pn nei semiconduttori, dove elettroni e lacune diffondono fino a quando il potenziale elettrochimico (livello di Fermi) non è costante attraverso la giunzione, creando un campo elettrico interno.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Chimica fisica

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • il concetto di equilibrio chimico di claude louis berthollet
  • le leggi della termodinamica, in particolare il concetto di entropia ed energia libera
  • La definizione di potenziale chimico di Josiah Willard Gibbs
  • L'opera di Rudolf Clausius sull'entropia

Applicazioni

  • prevedere la direzione del flusso di ioni attraverso le membrane cellulari
  • determinazione della tensione di equilibrio di una batteria (forza elettromotrice)
  • modellazione della distribuzione della carica alle interfacce elettrodo-elettrolita (doppio strato elettrico)
  • comprendere il comportamento della giunzione pn dei semiconduttori all'equilibrio
  • progettazione di sensori elettrochimici

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • self-regulating osmotic power generators that maintain optimal potential gradients
  • fertilizzanti intelligenti che rilasciano nutrienti in risposta ai cambiamenti dell'equilibrio elettrochimico del suolo
  • bioreactors that optimize microbico growth by maintaining a constant electrochemical environment
  • raccoglitori passivi di acqua atmosferica che utilizzano materiali con gradienti di potenziale ingegnerizzati
  • ion-gradient-based logic gates for ‘wet’ computing systems
  • strumenti diagnostici medici che rilevano stati di malattia misurando le deviazioni dall'equilibrio elettrochimico nei tessuti
  • sistemi di bonifica dei rifiuti che utilizzano gradienti potenziali per separare e sequestrare gli inquinanti
  • materiali mimetici dinamici che cambiano colore controllando la distribuzione degli ioni
Correlato a: termodinamico equilibrium, ion flux, gradient, seconda legge of thermodynamics, gibbs free energy, donnan equilibrium, spontaneous process, electrodiffusion.

Contesto storico

Potenziale elettrochimico ed equilibrio termodinamico

1895
1895
1896
1900
1900
1900
1900
1890
1895
1895
1899
1900
1900
1900
1900

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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